低氮火嘴的改造及应用

低氮火嘴的改造及应用

张啸潘冠男赵阳

大连西太平洋石油化工有限公司辽宁大连116600

摘要：低氮火嘴是指燃料燃烧过程中NOx排放量低的燃烧器。按照新的环保要求，2017年常减压烟气中NOx含量要求小于150mg/m3（折算后），需要对燃烧器重新选型，更换低氮燃烧器。低氮火嘴经过改造后，NOx排放量有明显改善。

关键词：低氮火嘴；NOx含量

1、NOx的产生

在高温燃烧条件下，NOx主要以NO的形式存在，最初排放的NOx中NO约占95%。但是，NO在大气中极易与空气中的氧发生反应，生成NO2，故大气中NOx普遍以NO2的形式存在。

对于抽取采样法，采取燃油、燃气加热炉烟气排放氮氧化物含量计算：

NOx=NO（mg/m3）*M（NO2分子量）/M（NO分子量）=NO（mg/m3）*1.53

我公司所有加热炉烟气中的NOx均是以NO为主，NO2基本上没有，因此NOx=NO（mg/m3）*1.53

在氮氧化物中，NO占有90%以上，二氧化氮占5%-10%，产生机理一般分为如下三种：

（1）热力型

燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应。

随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T<1500℃时，NO的生成量很少，而当T>1500℃时，T每增加100℃，反应速率增大6-7倍。

热力型氮氧化物生成机理：O2+N->2O+N

O+N2->NO+N

N+O2->NO+O

在高温下总生成：N2+O2->2NO

2NO+O2->NO2

（2）瞬时反应型（快速型）

快速型NOx是在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。

由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，与温度的关系不大。

（3）燃料型NOx

由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于燃烧温度，在600-800℃时就会生成燃料型，燃料型NOx产物中占60-80%。在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN和等中间产物基团，然后再氧化成NOx。

2、抑制NOx产生的措施

减小过剩空气系数

降低火焰燃烧区域的温度

利用烟气回流来降低火焰温度

采用气体燃烧分级燃烧技术降低NOx的办法：

（1）燃料分级燃烧，降低火焰温度

（2）分级燃烧与烟气混合

3、低氮火嘴改造过程

3.1减压炉燃烧器更换

减压炉共12个燃烧器，本次检修全部更换为洛阳乐邦石化设备有限公司LB-DN型低NOX燃烧器，7月9日减压炉12个燃烧器只点三个，加热炉氧含量比较高（10.2%），分别对F02对流室和辐射室在线测试烟气中NOX达不到技术协议要求，后经燃烧器厂家要求将F02的12个燃烧器全部点着，控制氧含量分别为1.4%和3.4%的情况下，7月10日对F02对流室在线测试烟气中NOX达到技术协议要求。

3.2常压炉燃烧器更换

常减压装置常压加热炉F-01A、F01B共33台燃烧器，于2016年停工消缺期间全部更换为洛阳乐邦石化设备有限公司LB-DN型低NOx高效型燃烧器。为了检验其燃烧器烟气排放物中NOX是否满足要求，车间和洛阳乐邦石化设备有限公司技术人员及化验检测人员共同对常压加热炉F01A、B及烟气总排口在不同工况下进行了现场测试。

数据分析

（1）三台加热炉共用一条总风道，常压加热炉F-01A与F-01B之间有抢风现象并风压出现不定时波动。F-01A为双炉膛设计并共用一条热风管道，由于该管道处于总风道中间，可能因流速过高导致进风量较小不能满足正常燃烧器燃烧要求。

（2）F01A通过调整风道挡板开度控制炉膛氧含量时，当降至1%以下时，出现NOx合格而CO严重超标（3000ppm），说明此时燃烧不充分，加热炉效率随之下降，反复调整风道风量及燃烧器风门未见明显效果。F01B情况较好。

（3）技术协议中F01AB介质气化率为33%，而实际为37%，加热炉负荷增大，增大了调节NOx含量的难度。

（4）采样分析混合烟气进空气预热器前氧含量基本维持在5%—6%，而空气预热器出口烟气氧含量在10%—11%，说明空气预热器内热管及管板之间可能存在缝隙导致空气窜入烟气中，而环保指标中的NOx为折算后的数据，具体公式为：

折算后NOx含量=在线NOx含量AI_2_3*（21-3）/（21-在线O2含量AI_2_7）

在线O2含量AI_2_7增大则折算后的NOx含量随之增大。

3.3现场检测

常减压各加热炉及空气预热器前后烟气中NOx检测报告，车间会同质量安全环保部及质检中心对各加热炉出口及空气预热器前后烟气进行了现场检测。

数据分析

（1）从各炉分支（5个点）及空气预热器出、入口及烟囱烟气实测分析来看折算后的NOx含量均能满足新环保指标（<150mg/m3）要求。F01B南侧出口氧含量为8.4%，北侧为2.37%，经现场检查认为是0.35MPa蒸汽管线进出F01B对流段存在缝隙所致。

（2）空气预热器出口烟气的现场实测值90mg/m3与烟囱烟气在线仪表分析值122mg/m3差距较大，而氧含量相近，为了确定造成此种现象的原因，车间于2017年1月3日上午进行了烟囱烟气的现场实测标定，取样位置为烟气在线分析房内，与质检中心人员共同确认后取样分析。可以看到烟囱烟气中的NOx现场实测折算值84mg/m3与空气预热器出口烟气中NOx的现场实测值折算值80mg/m3基本吻合，而烟囱烟气中NOx的在线分析折算值为126mg/m3。

3.4统一意见做出调整

（1）将F01AB单个燃烧器的一、二次风门较原来的开度继续开大，目的是减少在单个燃烧器处限制风量，而通过各加热炉主风道阀门控制风量及氧含量，这样做的好处是避免了鼓风机出口至单个燃烧器的压力降过大，同时防止各加热炉主风道阀门失去调节作用。

（2）尽快调试完成F01AB、F02烟道挡板执行机构，保证能投自动，优化并稳定加热炉负压。尽快将各加热炉主风道控制阀投自动，优化控制加热炉氧含量。

存在的困难及下一步工作：

1、常减压目前在处理量高于1100t/h以上时及在切换原油过程中由于原油性质变化会造成烟气中NOx含量波动超标。加热炉烟道挡板及主风道阀门投用自动后会有所改善。

2、常压炉F01AB负荷高，燃烧器数量少（F01A22个、F01B11个），导致单个燃烧器负荷大，火焰中心温度高，烟气中NOx含量增大。建议对F01AB进行改扩建增加燃烧器数量降低单个燃烧器负荷，减少烟气中NOx含量。

4、改造后出现的问题及处理

在大负荷下进行调试及标定。燃烧比例调整后，二、三级辅助火嘴的燃烧比上升，加工负荷越大则辅助火嘴的效果应该越显著。即使NOx含量上升，但相比火嘴更换前预计还是会有所改善。燃烧器运行过程中应经常观察火焰，如果发现火焰过分明亮或尾部冒黑烟，应及时调节风门蝶阀，将烟道气含氧量控制在规定的范围内。如果发现火焰散乱、冒火星、脉动等异常现象，应及时拆检、清洗喷嘴。如果发现喷嘴喷头出现结焦、积垢或堵塞等异常现象，应随时采取措施——停运清洗或更换。

参考文献：

[1]常春梅，孙海生，刘亚娜.烟气节能器在燃气锅炉余热回收中的应用---以75t/h燃气锅炉扩容改造实践为例[J].企业科技与发展.2015，12（02）：125

作者简介：

第一作者：张啸，1981年8月出生，2005年毕业于大连理工大学化学工程与工艺（英语强化）专业，学士学位，中级职称，2017年9月前为大连西太平洋石油化工有限公司运行二部工艺工程师，主管常减压生产工艺。2017年9月开始担任运行二部安全总监。